CN101169491B - 光学元件 - Google Patents

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Abstract

一种光学元件包括：微窗，包括交替地设置的透明层和光吸收层，光吸收层限制其中通过透明层出射的光的方向的范围；以及设置在微窗上的漫射层。视场角度按照这样的方式变化：通过光学元件的外围区的光的视场角度比通过光学元件的中心区域的光的视场角度小。

Description

光学元件
技术领域
本发明涉及一种包括微窗(microlouver)的光学元件，所述微窗限制出射的透射光的方向范围。本发明还涉及一种使用这种光学元件的照明光学设备，以及由使用这种光学元件的液晶显示器(LCD)和等离子体显示器为代表的显示设备。
背景技术
使用液晶显示器作为诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、自动出纳机(ATM)和个人计算机之类的各种信息处理设备的显示设备。近年来，已经商用了其中视场角度较大的液晶显示器。
当多个观看者观看一个单独的显示器屏幕时，使用其中视场角度较大的液晶显示器是有效的。然而，在设计用于由个人使用的设备中，例如移动电话，较大的视场角度可能允许他人窥视所显示的信息，这对于设备的用户是令人不愉快的。在设计用于由不定个数的用户使用的信息处理终端中，当显示诸如个人信息之类的高度机密的信息时，需要防止他人窥视所显示的信息。因此，已经提出了一种能够在窄视场显示模式和宽视场显示模式之间切换的液晶显示设备。在JP10-197844A中公开了这种类型的液晶显示器。
图1示出了与本发明相关联的并且能够在窄视场显示模式和宽视场显示模式之间切换的液晶显示器的示例。参考图1，液晶显示器包括由排列成矩阵的多个像素构成的显示面板100和附加到显示面板100上的微窗101。如图2所示，微窗101具有周期性结构，其中按照固定间距交替地设置光吸收层102和透明层103。透明层103只透射按照小于等于θ的视场角度入射的光。将按照大于θ的视场角度入射的光在光吸收层102中吸收。由周期性结构的厚度D和透明层103的宽度S来确定视场角度θ。视场角度θ越小，通过微窗101的光的方向性越高。
在窄视场显示模式中，使用其上附加了微窗101的显示面板100。微窗101限制了来自显示面板100的光的最大视场角度。另一方面，在宽视场显示模式中，使用从其上去除了微窗101的显示面板100。在这种情况下，通过显示面板100本身的视场角度来确定最大视场角度。
JP11-285705A公开了这样一种技术，其中通过从中心区域向外围区域减小微窗的不透明部分的宽度，从面板的中心区域向外围区域减小了出射光的范围。
上述微窗具有在其表面上有固定周期的周期性结构，以提供均匀的阻光能力。当从显示屏幕前面的位置倾斜地观看附加了这种微窗的显示屏幕时，如图3A所示，屏幕一端的观看角度与另一端的观看角度不同。在图3A中所示的示例中，在屏幕右端处的观看角度θR比在屏幕左端处的观看角度θL小。
现在，让当从显示屏幕前面位置观看显示屏幕时观看角度是0，并且让该位置处的微窗的光透射率如图3B所示最高。光透射率随着观看角度的增加而逐渐减少，并且当观看角度变为某个值时，光透射率变为0，并且对于大于该值的观看角度保持为0。在如图3A所示的示例中，在屏幕左端处的观看角度θL处的光透射率是0，使得显示屏幕是不可见的。另一方面，在屏幕右端处的观看角度θR处的光透射率仍然较大，即略微小于最高值，使得显示屏幕是可见的。因此，即使当将微窗附加到显示屏幕上，当从显示屏幕前面的位置倾斜地观看时，显示屏幕的右端不利地是可见的。
发明内容
本发明的示范性目的提出了一种光学元件，当从显示屏幕前面的位置倾斜地观看时所述光学元件可以防止整个显示屏幕是可见的。
根据本发明的示范性方面，光学元件包括：微窗，所述微窗包括交替地设置的透明层和光吸收层，光吸收层限制通过透明层的光的出射方向的范围；以及设置在微窗上的漫射层。通过光学元件的光的视场角度按照这样的方式变化：使得视场角度在光学元件的外围区域中比在光学元件的中心区域中更小。
根据本发明的另一个方面，光学元件包括：微窗，所述微窗包括交替地设置的透明层和光吸收层，光吸收层限制通过透明层的光的出射方向的范围；以及设置在微窗上的漫射层。所述漫射层的漫射能力在光学元件的外围区域中比在光学元件的中心区域中更低。
根据参考示出了本发明示例的附图的以下描述，本发明的以上和其他目的、特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是示出了涉及本发明、并且能够在窄视场显示模式和宽视场显示模式之间切换的液晶显示器的示例的示意图；
图2是示出了图1中所示微窗的结构的示意图；
图3A和图3B是用于解释屏幕两端的观看角度的示意图；
图4是示出了根据本发明第一示范性实施例的光学元件的剖面图；
图5是图4中所示微窗的平面图；
图6是示出了当观看者位于显示设备屏幕前面区域外边的位置时的观看角度的示意图；
图7是示出了当观看者位于显示设备屏幕前面位置时的观看角度的示意图；
图8A和图8B示出了当观看者位于显示设备屏幕前面区域外边的位置时屏幕尺寸与观看角度之间的关系；
图9A和图9B示出了当观看者位于显示设备屏幕前面位置时屏幕尺寸与观看角度之间的关系；
图10示出了当观看者位于显示设备的屏幕中心前方的位置时观看者观看屏幕上的位置与光透射率之间的关系，所述显示设备具有15英寸的屏幕尺寸并且沿屏幕法线的方向从屏幕到观看者之间的距离dz是60cm；
图11A至图11F示出了用于产生图4所示微窗的方法；
图12A至图12E示出了用于产生图4所示微窗的另一种方法；
图13示出了用于产生图4所示微窗的另一种方法；
图14示出了用于产生图4所示微窗的另一种方法；
图15是示出了根据本发明第二示范性实施例的光学元件的剖面图；
图16A至图16D示出了可应用于本发明的光学元件的各种微窗；
图17A是示出了其上安装了本发明微窗的第一照明光学设备的结构的示意图；
图17B是图17A中所示的照明光学设备的部件的棱镜片的平面图；
图18是示出了图17A中所示第一照明光学设备的变体的示意图；
图19是示出了其上安装了本发明微窗的第二照明光学设备的结构的示意图；
图20是示出了其中将本发明微窗设置在显示屏幕上的显示设备结构的示意图；
图21是示出了其中安装了本发明微窗的第一显示设备的结构的示意图；
图22是示出了其中安装了本发明微窗的第二显示设备的结构的示意图；
图23是示出了其中安装了本发明微窗的第三显示设备的结构的示意图；以及
图24是示出了其中安装了本发明微窗的第四显示设备的结构的示意图。
具体实施方式
(第一示范性实施例)
图4是示出了根据本发明第一示范性实施例的光学元件的剖面图。图5是图4中所示微窗的平面图。
该示范性实施例的光学元件包括微窗1和附加到微窗1上的漫射层4，所述微窗1具有其中沿一个反向交替地设置线性光吸收材料层2和线性透明层3的周期性结构。在该示范性实施例的微窗1中，按照固定间距周期性地设置光吸收层2和透明层3。此外，在该示范性实施例的微窗1中，透明层3的宽度S与微窗1的厚度D的比率比典型微窗的比率小。因此，在该示范性实施例中的微窗1两端，通过透明层3的光的视场角度比典型微窗中的视场角度小。将透明层(未示出)层压到微窗1的两侧。
将该示范性实施例中的漫射层4按照这样的方式配置，使得在图4和图5中沿左右方向光学元件的外围区域中的漫射能力比在中心区域中的漫射能力低。
具体地，可以使用全息漫射体作为漫射层4。可以通过在衬底上形成具有5微米量级高度的不规则体的非周期性图案来获得全息漫射体，并且可以通过改变不规则体的图案密度来设定对透射光进行漫射的能力。
将漫射能力定义为提供最高亮度的一半时的角度，并且用全角度(full angle)来表示。通过以下近似来确定通过漫射层4的光的视场角度：
{(通过微窗的光的发散角)2+(漫射层的漫射能力)2}1/2
因此，通过改变从光学元件的中心区域到外围区域的不规则体图案的密度以减小漫射能力(即减小模糊)，通过漫射层4的光的视场角度在中心区域较大而在外围区域中较小。在这一点上，微窗的不透明部分的宽度从中心向边缘变小的该示范性实施例的光学元件与出射光的范围从面板的中心区域向外围区域变小的JP11-285705A中公开的技术不同。
因此，在该示范性实施例的光学元件中，通过微窗1和漫射层4的光的视场角度按照这样的方式在光学元件上沿一个方向变化，使得视场角度在中心区域中较大而在外围区域中较小。
尽管已经参考全息漫射体描述了漫射层4，漫射层4不局限于此。例如，漫射层4可以是通过将透明珠子等嵌入到透明层中、或者通过逐个位置地改变所嵌入珠子的量来改变每一个位置的漫射能力而获得的漫射体。
将参考图6至图9B描述在该示范性实施例的光学元件中的视场角度与当观看者观看配置有所述光学元件的显示设备时的观看角度之间的关系。
首先，将参考图6和图7描述当观看者观看配置有光学元件的显示设备时的观看角度。图6示出了当观看者位于显示设备屏幕前面区域外边的位置时的观看角度，而图7示出了当观看者位于显示设备屏幕前面的位置时的观看角度。
在图6中，d×1是沿与屏幕平行的方向从屏幕的末端到观看者的距离；d×2是沿与屏幕平行的方向从屏幕的末端到观看者观看屏幕上的位置的距离；dz是沿屏幕的法线方向从屏幕到观看者的距离。当观看者位于显示设备屏幕前面区域外边的位置时，当观看者观看屏幕时的观看角度θm由以下等式(1)来表示：
θm＝tan-1((d×1+d×2)/dz)...(1)
另一方面，如图7所示，当观看者位于显示设备屏幕前面的位置时，如图所示，当观看者观看观看者右边的那部分屏幕时的观看角度θm由以下等式(2)来表示：
θm＝tan-1((d×2-d×1)/dz)...(2)
如图7所示，当观看者位于显示设备屏幕前面的位置时，如图所示，当观看者观看观看者左边的那部分屏幕时的观看角度θm由以下等式(3)来表示：
θm＝tan-1(d×1/dz)...(3)
接下来将参考图8A至图9B描述观看者观看的屏幕尺寸与观看角度之间的关系。图8A和图8B示出了当观看者位于显示设备屏幕前面区域外边的位置时屏幕尺寸与观看角度之间的关系。图9A和图9B示出了当观看者位于显示设备屏幕前面的位置时屏幕尺寸与观看角度之间的关系。
在图8A中，在观看者位于显示设备屏幕前面区域的外边的位置的情况下，沿与屏幕平行的方向从屏幕的末端到观看者的距离d×1是25cm，沿屏幕的法线方向从屏幕到观看者的距离dz是60cm。图8B示出了在这种条件下屏幕尺寸与观看角度之间的关系。
参考图8B，在靠近观看者的屏幕末端处的观看角度θm与屏幕尺寸无关地保持不变，约23°。在屏幕中心处的观看角度θm当屏幕尺寸是10英寸时约30°，当屏幕尺寸是15英寸时约为34°，以及当屏幕尺寸是20英寸时是约37°。在远离观看者的屏幕末端处的观看角度θm当屏幕尺寸是10英寸时是约37°，当屏幕尺寸是15英寸时是约43°，以及当屏幕尺寸是20英寸时是约48°。因此应该理解的是在屏幕中心处和远离观看者的屏幕末端处的观看角度随着屏幕尺寸的增加而增加。
现在，考虑其中屏幕尺寸是15英寸的情况。因为在靠近观看者的屏幕末端处的观看角度是约23°，将显示设备的屏幕末端处的视场角度设定为±20°可以防止观看者看到在显示设备的屏幕末端处的显示图像。此外，因为在屏幕中心处的观看角度是约34°，将显示设备的屏幕中心处的视场角度设定为约±30°可以防止观看者观看在显示设备的屏幕中心处的显示图像。因此，当屏幕尺寸是15英寸时，通过按照这种方式配置光学元件，使得将中心区域中的视场角度设定为约±30°并且将外围区域中的视场角度设定为约±20°，当从如图8A所示的位置观看显示屏幕时整个屏幕变为不可见的。
在图9A中，在观看者位于显示设备的屏幕中心前方时，沿屏幕的法线方向从屏幕到观看者的距离dz是60cm。图9B示出了在这种条件下屏幕尺寸与屏幕末端处的观看角度之间的关系。
参考图9B，发现屏幕末端处的观看角度θm随着屏幕尺寸而增加。例如，观看角度θm当屏幕尺寸是10英寸时是约9°，当屏幕尺寸是15英寸时是约14°，以及当屏幕尺寸是20英寸时是约18°。当屏幕尺寸是15英寸并且将光学元件外围区域中的视场角度设定为约±20°时，如上所述，作为这种条件下的观看角度的视场角度比14°大，使得观看者可以视觉上识别显示屏幕末端处的图像。即，从屏幕前面的位置观看屏幕的观看者(图9A)可以视觉上识别显示屏幕上的整个图像，而从屏幕前面的位置倾斜地观看屏幕的观看者(图8A)不能在视觉上识别显示屏幕上的整个图像。
现在将参考图10描述按照下述方式改变通过微窗1和漫射层4的光的视场角度的意义，使得在该示范性实施例的光学元件中实现视场角度在中心区域中较大而在外围区域中较小。图10示出了观看者观看屏幕上的位置与当观看者位于显示设备的屏幕中心前面的位置时的光透射率之间的关系，所述显示设备具有15英寸的屏幕尺寸并且沿屏幕的法线方向从屏幕到观看者之间的距离dz是60cm。
当屏幕尺寸是15英寸并且将光学元件的外围区域中的视场角度设定为约±20°时，当观看者从屏幕前面的位置倾斜地观看屏幕时，可以防止观看者在视觉上识别显示屏幕上的整个图像。因此，当屏幕尺寸是15英寸时，通过将光学元件上的视场角度设定为约±20°，也可以使得当从屏幕前面的位置观看屏幕时所述图像是不可见的。
然而，当屏幕尺寸是15英寸并且将视场角度设定为在光学元件两端上约±20°时，如图10中所示，屏幕内部的亮度均匀性不利地降低。另一方面，当将视场角度设定为在光学元件两端上约±30°时，可以防止屏幕内部亮度均匀性的减小，但是当观看者从屏幕前面的位置倾斜地观看屏幕时，不能防止观看者视觉上识别显示屏幕上的整个图像。
通过按照这样的方式改变漫射层4的漫射能力以改变通过微窗1和漫射层4的光的视场角度，使得如在该示范性实施例的光学元件中实现视场角度在中心区域较大而在外围区域较小，不但可以防止屏幕内部亮度均匀性的减小，而且可以防止当观看者从屏幕前面的位置倾斜地观看屏幕时视觉上识别显示屏幕上的整个图像。
从在光学元件的中心区域中较大的视场角度到在外围区域中较小的视场角度的变化可以是步进式的或连续的。
现在将描述用于产生该示范性实施例的微窗的方法。
图11A至图11F示出了用于产生该示范性实施例的微窗的一系列步骤。首先，将透明光敏树脂层51形成于透明衬底50上(图11A)。可以使用各种沉积方法来形成透明光敏树脂层51，例如狭缝模具(slit die)涂敷、线涂敷(line coating)或干膜转印。作为透明光敏树脂层51，可以使用由KAYAKUMicrochem Corporation生产的化学放大负性光致抗蚀剂(型号：SU-8)。具有相对较小的曝光前分子量的该抗蚀剂在诸如环戊酮、丙二醇甲醚醋酸酯(PEGMEA)、γ-丁内酯(GBL)和异丁基酮(MIBK)之类的溶剂中相当好地溶解，从而易于形成100至200微米厚的厚膜。
然后，使用掩模52对透明光敏树脂层51构图(图11B)。掩模52具有与微窗1的透明层3和光吸收层2的空间结构相对应的图案(透明区和阻光区的结构)。该构图步骤在光刻中是公知的步骤，并且可以使用诸如步进曝光和接触曝光之类的各种曝光系统。
如图11C所示，所述构图提供其中沿固定方向按照间距P形成具有宽度S和厚度d的透明层的图案。这些透明层成为微窗1的透明层3。将透明衬底50的表面暴露在相邻透明层3之间。厚度d是100至200微米。宽度S是40至70微米。间距P是50至90微米。相邻透明层之间的间隔是10至20微米。
然后，用可硬化的材料53填充作为已构图的透明光敏树脂层的相邻透明层3之间的间隙(图11D)。为了填充可硬化材料53，使用基于橡胶滚筒或基于涂布机应用和填充方法的任意一种。为了防止可硬化材料填充不满，理想地在真空(在足够地减压的容器中)中执行所述填充工艺。
在刻蚀可硬化材料53以暴露出透明光敏树脂层的表面之后，硬化可硬化材料53(图11E)。当在填充可硬化材料的步骤中没有将可硬化材料附加到透明光敏树脂层的表面上时，可以省略刻蚀步骤。
最后，将透明衬底54附加到透明光敏树脂层和可硬化材料53上(图11F)。可以将透明衬底54层压到透明光敏树脂层和可硬化材料53上，或者可以将透明衬底54经由透明粘附层附加到透明光敏树脂层和可硬化材料53上。此外，可以将用于防止刮伤的硬涂敷层或抗反射膜形成在透明衬底54的表面上。
现在将描述用于产生该示范性实施例中的微窗的另一种方法。
图12A至图12E示出了用于生产本发明微窗的另一种方法的一系列生产步骤。首先，将透明光敏树脂层61形成于透明衬底60上(图12A)。然后，使用掩模62对透明光敏树脂层61构图(图12B)以提供其中沿固定方向按照间距P形成具有宽度S和厚度d的透明层的图案，如图12C所示。上述步骤与图11A至图11C中的那些步骤相同。
然后，将透明衬底64附加到已构图的透明光敏树脂层61上(图12D)。通过热压或UV压将透明衬底64附加到透明光敏树脂层61上。如果在该附加步骤中透明衬底64不会彻底地与已构图的透明光敏树脂层61紧密接触，将粘附层(可以由相同的光敏树脂构成)设置在透明衬底64和已构图的透明光敏树脂层61之间，并且然后通过热压或UV压执行所述附加步骤。按照这种方式，透明衬底64可以可靠地与已构图的透明光敏树脂层61紧密接触。
然后，使用空气或真空氛围中的毛细现象将可硬化材料63注入到相邻已构图透明光敏树脂层61之间的空隙(图12E)。然后，通过UV曝光或加热处理对已注入的可硬化材料63进行硬化，因此完成了微窗1。对可硬化材料63进行硬化允许透明衬底被更坚固地接合，因此防止了诸如透明衬底分层之类的缺陷。对可硬化材料63进行硬化也可以防止诸如可硬化材料的泄漏之类的缺陷。作为可硬化材料63，不溶解材料是理想的。当使用基于溶解的可硬化材料时，填充的溶剂蒸发并且因此已填充区域体积收缩，使得在填充有可硬化材料的区域中(光吸收层)的阻光特性在整个衬底上变得不均匀。另一方面，不溶解材料可以使所述特征均匀。因此可以减小显示的不均衡性，得到均匀的显示。
接下来将描述用于产生该示范性实施例中的微窗的另一种方法。
其他生产方法的示例是使用如图13所示的步骤产生微窗的方法。首先，将透明光敏树脂层形成于两个透明衬底70和71的每一个上，并且通过光刻对透明光敏树脂层构图。按照固定间距设置透明衬底70上的已构图透明光敏树脂层72。类似地，按照与透明光敏树脂层72相同的间距设置透明衬底71上的已构图透明光敏树脂层73。透明光敏树脂层72的宽度与透明光敏树脂层73的宽度相同。透明光敏树脂层72和73的宽度比间距间隔小。将透明光敏树脂层72和73按照这样的方式对齐并彼此附加，使得他们彼此交错。这样就提供了图12D中所示的衬底。然后，在上述其他生产方法中描述的过程中注入并硬化可硬化材料。
在该生产方法中，光吸收层的宽度与高度的比率可以是在图11A至图11F以及图12A至12E中描述的生产方法中获得的比率的两倍，允许生产具有更小的视场角度的微窗。
可以通过使用图14所示步骤的方法产生微窗。首先，将透明光敏树脂层形成于两个透明衬底80和81的每一个上，并且通过光刻对透明光敏树脂层构图。按照固定间距设置透明衬底80上的已构图透明光敏树脂层82。类似地，按照与透明光敏树脂层82相同的间距设置透明衬底81上的已构图透明光敏树脂层83。将透明光敏树脂层82和83布置为相同的图案，并且透明光敏树脂层82的宽度和高度与透明光敏树脂层83的宽度和高度相同。将透明光敏树脂层82和83彼此附加到一起。这样就提供了图12D中所示的衬底。然后，根据在上述其他生产方法中描述的程序注入和硬化可硬化材料。
因为图12A至图14中所示的生产方法使用毛细现象，可以将所述方法适当地应用于其中连续地设置光吸收层的周期性结构上。通过向在上述生产方法的任一个中生产的微窗1附加漫射层4，形成了图4中所示的该示范性实施例的光学元件。
(第二示范性实施例)
图15是示出了根据本发明第二示范性实施例的光学元件的剖面图。
该示范性实施例的光学元件包括微窗1和附加到微窗1上的漫射层3，所述微窗1具有其中沿一个反向交替地设置的线性光吸收材料层2和线性透明层3的周期性结构。在该示范性实施例中，微窗1中的透明层3的宽度在中心区域中较大而在外围区域中较小。因此，在该示范性实施例的微窗1中，通过透明层3的光的视场角度在中心区域中较大而在外围区域中较小。
将该示范性实施例中的漫射层4按照这样的方式配置，使得沿图15中的左/右方向光学元件的外围区域中的漫射能力比中心区域中的小。因为当通过漫射层4时对通过微窗1的光进行漫射，通过漫射层4的光的视场角度根据漫射层4的漫射能力而变得更大。在该示范性实施例中，因为漫射层4具有比中心区域中的漫射能力低的外围区域中的漫射能力，通过漫射层4的光的视场角度在中心区域中较大而在外围区域中较小。
如上所述，在该示范性实施例的光学元件中，将在中心区域具有较大视场角而在外围区域具有较小视场角的微窗1与在具有中心区域增加视场角而在外围区域减小视场角的类似效果的漫射层4结合。结果，根据该示范性实施例的光学元件，可以按照以下方式在光学元件上改变沿一个方向通过微窗1和漫射层4的光的视场角度：使得视场角度比在图4中所示的第一示范性实施例的光学元件等在中心区域中更大而在外围区域中更小。在该示范性实施例中，具体地，因为微窗1中的透明层3的宽度在中心区域中较大而在外围区域中较小，可以改善中心区域中的屏幕亮度。
可以通过使用参考图11A至图14所述的生产方法来产生该示范性实施例中的微窗1。
(其他示范性实施例)
图16A至图16D是示出了可应用于本发明的光学元件的各种微窗的平面图。
图16A所示的微窗包括按照螺旋方式从中心区域向外围区域延伸的光吸收层2。作为在光吸收层2的相邻部分之间形成的透明层3的宽度在微窗的中心区域中较大，而沿从微窗的中心到外围区域的任意方向上在外围区域中比中心区域中的宽度小。按照这样的方式配置附加到微窗上的漫射层(未示出)，使得沿从微窗的中心到外围区域的任意方向在光学元件的外围区域中的漫射能力比中心区域中的漫射能力低。
在图16B所示的微窗中，按照同心的方式设置多个正方形的光吸收层2。相邻正方形光吸收层2之间的透明层3的宽度在微窗的中心区域中较大，而沿从微窗的中心到外围区域的任意方向在外围区域中比中心区域中的宽度小。按照这样的方式配置附加到微窗上的漫射层(未示出)，使得沿从微窗的中心到外围区域的任意方向，光学元件的外围区域中的漫射能力比中心区域中的漫射能力低。
在图16C所示的微窗中，按照同心的方式设置多个圆形光吸收层2。相邻圆形光吸收层2之间的透明层3的宽度在微窗的中心区域中较大，而沿从微窗的中心到外围区域的任意方向在外围区域中比中心区域中的宽度小。按照这样的方式配置附加到微窗上的漫射层(未示出)，使得沿从微窗的中心到外围区域的任意方向，光学元件的外围区域中的漫射能力比中心区域中的漫射能力低。
在图16D所示的微窗中，按照同心的方式设置多个六边形光吸收层2。相邻六边形光吸收层2之间的透明层3的宽度在微窗的中心区域中较大，而沿从微窗的中心到外围区域的任意方向在外围区域中比中心区域中的宽度小。按照这样的方式配置附加到微窗上的漫射层(未示出)，使得沿从微窗的中心到外围区域的任意方向，光学元件的外围区域中的漫射能力比中心区域中的漫射能力低。
尽管图16A至图16D示出了包括具有各种形状的光吸收层2的微窗，微窗可以包括的光吸收层2的形状不局限于这些示例。例如微窗可以包括圆形螺旋的光吸收层2来代替具有图16A中所示形状的光吸收层2。替代地，可以将具有图16B至图16D所示形状的光吸收层2用具有矩形、椭圆形或其他多边形形状的光吸收层2来代替。
尽管图16A至图16D示出了一种微窗，在所述微窗中光吸收层2的相邻部分之间的透明层3的宽度沿从微窗的中心到外围区域的任意方向在微窗的中心区域中更大而在外围区域中比中心区域的宽度小，可以按照这样的方式配置每一个微窗，使得透明层3的宽度在微窗两端相等。甚至在这种结构中，按照这样的方式配置附加到微窗上的散射层(未示出)，使得沿从微窗的中心到外围区域的任意方向，光学元件的外围区域中的漫射能力比中心区域中的漫射能力低。因此，在包括任一种这些微窗的光学元件中，通过光学元件的光的视场角度按照这样的方式变化，使得视场角度在光学元件的外围区域中比在光学元件的中心区域中更小。
可以通过使用参考图11A至图11F所述的生产方法来生产该示范性实施例中的微窗。此外，只要将光吸收层如图16A所示地连接，可以通过使用参考图12A至图14所述的生产方法来生产在该示范性实施例中的微窗。
根据包括上述各种微窗和漫射层的任一种的光学元件，可以按照这样的方式改变通过微窗和漫射层的光的视场角度，使得视场角度在中心区域中较大，而沿从光学元件的中心区域到外围区域的任意方向(至少沿光学元件上彼此交叉的两个方向)在外围区域中较小。因此，当从显示屏幕前面的任意位置倾斜地观看配置有所述光学元件的显示屏幕时，可以防止观看者在视觉上识别在显示屏幕上的整个图像。
上述本发明的光学元件不但可应用于液晶显示器，而且应用于其他显示设备，例如诸如等离子显示器和电致发光显示器之类的发光显示设备。
本发明的光学元件的各种想得到的用途可以是安装到照明光学设备上的光学元件、直接附加到显示面板表面上的光学元件、安装到显示设备中的光学元件等。下面将描述在这种用途中的具体结构。
(1)首先，将描述其上安装了本发明的光学元件的照明光学设备。
[第一照明光学设备]
图17A示出了其上安装了本发明的光学元件的第一照明光学设备的结构，第一照明光学设备包括平面光源和光学元件20。平面光源包括由冷阴极射线管为代表的光源21、反射片22、光导板23、漫射板24以及每一个均由棱镜阵列构成的棱镜片25a和25b。光学元件20由上述示范性实施例中的任一个光学元件构成。
光导板23由丙烯酸(类)树脂等形成，并且按照以下方式配置：使得来自光源21的光入射到光导板23的一端，并且入射光通过光导板传播并且从正面(预定一侧的表面)均匀出射。将反射片22设置在光导板23的背面一侧上，并且从沿前表面方向反射从光导板23的背面出射的光。尽管在图中未示出，还将反射装置设置在光导板23的另一端和侧表面上。
从光导板23的正面出射的光经由漫射板24和每一个均由棱镜阵列构成的棱镜片25a和25b入射到光学元件20上。漫射板24对从波导板23入射的光进行漫射。由于波导板23的结构，从光导板23的右端出射的光的亮度与从左端出射的光的亮度不同。为了解决该问题，将来自波导板23的光在漫射板24中进行漫射。
棱镜片25a和25b改善了经由漫射板24从光导板23入射的光的亮度。棱镜片25a由沿固定方向按照固定间距设置的多个棱镜组成，如图17B所示。棱镜片25b具有与图17B中所示结构相同的结构，不同之处在于其中规则地设置棱镜的方向与其中将棱镜规则地设置在棱镜片25a中的方向交叉。棱镜片25a和25b可以提高在漫射板24中漫射的光的方向性。
在第一照明光学设备中，将从光导板23的正面出射的光在漫射板24中进行漫射，并且然后经由棱镜片25a和25b入射到光学元件20上。在棱镜片25a和25b中提高了来自漫射板24的光的方向性，并且在光学元件20中进一步地提高所述方向性。因此，当从第一照明光学设备前面的任意位置处倾斜地观看所述第一照明光学设备时，观看者不能识别出任意的出射光。
另外，在第一照明光学设备中，如图18所示，可以将光学元件20经由透明粘附层26接合到棱镜片25a上。在该结构中，可以减小由于在光学元件20和棱镜片25a之间界面处的表面反射导致的损耗，因此提供了具有更高亮度的照明光。
尽管已经参考冷阴极射线管作为光源描述了该示范性实施例，光源不局限于此。例如，可以使用白光LED或三色LED作为光源。尽管已经参考设置在设备一侧上的光源描述了该示范性实施例，光源的形式不局限于此。例如，可以使用直接设置在设备下面的光源。
[第二照明光学设备]
图19示出了其上安装了本发明的光学元件的第二照明光学设备的结构。第二照明光学设备与第一照明光学设备类似，不同之处在于将透射/散射切换元件26设置在光学元件20上。在图19中，具有与第一照明光学设备的结构相同结构的元件具有相同的参考标号。为了避免冗长的描述，将省略相同结构的描述。
例如，透射/散射切换元件26是PNLC(聚合物网络液晶)，并且包括配置有透明电极28a的衬底27a、配置有透明电极28b的衬底27b、以及夹在衬底27a和27b之间的聚合物分散液晶29。
当在透明电极28a和28b之间施加电压时，聚合物链的折射率与聚合物分散液晶29的折射率相符，使得透射/散射切换元件26变为透明的。在该透明状态中，来自微窗20的光直接通过透射/散射切换元件26。另一方面，当在透明电极28a和28b之间没有施加电压时，聚合物链的折射率与聚合物分散液晶29的折射率不相符，使得当来自微窗20的光通过透射/散射切换元件26时被散射。如上所述，将透射/散射切换元件26设置为其中当施加电压时对光透明的模式或其中当没有施加电压时散射光的模式。透射/散射切换元件可以不是PNLC而是诸如PDLC(聚合物分散液晶)之类的其他设备，只要它们可以响应于电压施加在透明模式和散射模式之间切换。
在透明模式中，光学元件20限制出射角度的范围。另一方面，在散射模式中，通过光学元件20限制的出射角度范围增加。因此，提供了一种照明光学设备，能够通过切换透射/散射切换元件来调节出射角度。
在第二照明光学设备中，可以将透射/散射切换元件26经由粘附层接合到光学元件20上。在这种结构中，可以减小由于光学元件20和透射/散射切换元件26之间的界面处的表面反射导致的损耗，因此提供了具有更高亮度的照明光。
尽管在照明光学设备的以上示例中使用两个棱镜片，可以使用一个棱镜片。
(2)接下来将描述本发明的光学元件的用途，其中将光学元件直接附加到显示面板的表面上。
图20示出了其中将本发明的光学元件设置在显示屏幕上的显示设备结构。参考图20，显示设备包括光学控制元件、照明光学元件和光学元件20。
光学元件20由上述示范性实施例中的任一个光学元件构成，并且限制了从光学控制元件出射的光(内部光)的方向范围。照明光学元件包括如图17A所示的光源21、反射片22、光导板23、漫射板24以及棱镜片25a和25b，并且已经通过棱镜片25a和25b的光照射光学控制元件。
光学控制元件具有将液晶层32夹在两个衬底30a和30b之间的结构。滤色器33形成于衬底30a的表面之一(液晶层32一侧上的表面)上，并且由偏振板和相差板组成的板31a被设置在另一个表面上。将由偏振板和相差板组成的板31b设置在衬底30b的与液晶层32一侧上的表面相对的表面上。在滤色器33中，将R(红)、G(绿)和B(蓝)滤色器元件按照矩阵设置在通过由光吸收层构成的黑矩阵划分的区域中。滤色器元件与各个像素相对应，并且按照规定间距设置。可以根据来自控制器(未示出)的控制信号以像素为基础将液晶层32在透明模式和阻光模式之间切换。通过在这些模式之间切换，空间调制入射光。
在图20中所示的显示设备中，已经通过棱镜25a和25b的光入射到由偏振板和相差板组成的板31b。已经通过由偏振板和相差板组成的板31b的光经由衬底30b入射到液晶层32上，其中以像素为基础空间调制所述光。已经通过液晶层32的光(已调制光)顺序地通过滤色器33和衬底30a，并且入射到由偏振板和相差板组成的板31a上。已经通过由偏振板和相差板组成的板31a的光通过光学元件20出射。尽管图20示出了其中使用由偏振板和相差板组成的板31a和31b作为光学控制元件的示例，该示范性实施例的光学控制元件不局限于此。例如，光学控制元件可以只由偏振板构成。
在上述显示设备中，因为光学元件20限制了由偏振板和相差板组成的板31a的光出射的方向，可以限制可见的范围。因此，即使当显示设备具有大尺寸的屏幕时，也可以防止其他人窥视所显示的信息。可以形成硬涂层以防止微窗20表面上的刮伤，或者可以形成抗反射层以防止环境光的反射。
可以将光学元件20可移动地附加到光学控制元件上。在这种情况下，将光学元件20附加到光学控制元件上允许窄视场的显示模式，而将光学元件20从光学控制元件上分开允许宽视场的显示模式。
(3)接下来，将描述其中安装了本发明的光学元件的显示设备。
[第一显示设备]
图21示出了其中安装了本发明光学元件的第一显示设备的结构。第一显示设备包括光学控制元件、照射所述光学控制元件的照明光学设备、设置在光学控制元件和照明光学设备之间的光学元件20。
光学元件20由上述示范性实施例中的任一个光学元件构成，并且限制了从照明光学设备中出射的光的方向范围。照明光学设备包括如图17A所示的光源21、反射片22、光导板23、漫射板24以及棱镜片25a和25b，并且已经通过棱镜片25a和25b的光经由光学元件20照射光学控制元件。光学控制元件与图20中所示的光学控制元件相同。
根据第一显示设备，因为光学元件20限制了照射光学控制元件的光出射的方向，可以限制可见的范围。因此，甚至当显示设备具有大尺寸屏幕时，可以防止其他人窥视所显示的信息。
在图21中所示的结构中，可以将光学元件20经由透明粘附层附加到光学控制元件上。在这种结构中，可以减小由于光学元件20和光学控制元件之间的界面处的表面反射导致的损耗，因此提供了具有更高亮度的照射光。
[第二显示设备]
图22示出了其中安装了本发明光学元件的第二显示设备的结构。第二显示设备包括光学控制元件、照射所述光学控制元件的照明光学设备、设置在光学控制元件和照明光学设备之间的光学元件20和透射/散射切换元件26。
光学元件20由上述示范性实施例中的任一个光学元件构成，并且限制了从照射光学设备中出射的光的方向范围。照明光学设备包括如图17A所示的光源21、反射片22、光导板23、漫射板24以及棱镜片25a和25b，并且已经通过棱镜片25a和25b的光经由光学元件20照射光学控制元件。光学控制元件与图20中所示的光学控制元件相同。透射/散射切换元件26与图19中所示的相同。
在第二显示设备中，当将透射/散射切换元件26设定为透明模式时，光学元件20限制了显示面板中的出射角度的范围。在这种情况下，因为限制了光学控制元件的显示屏幕中可见的范围，可以防止窥视。另一方面，当将透射/散射切换元件26设定为散射模式时，通过光学元件20限制的出射角度的范围增加。在这种情况下，因为可见范围增加，多个观看者可以同时观看显示屏幕。
在图22中所示的结构中，可以将光学元件20经由透明粘附层附加到透射/散射切换元件26的衬底27b上，并且/或者可以将光学控制元件经由透明粘附层附加到透射/散射切换元件26的衬底27a上。在这种结构中，可以减小由于光学元件20和衬底27b之间的界面处的表面反射导致的损耗并且/或者可以减小由于光学控制元件20和衬底27a之间的界面处的表面反射导致的损耗，因此提供了具有更高亮度的照射光。
[第三显示设备]
图23示出了其中安装了本发明的光学元件的第三显示设备的结构。第三显示设备包括按照顺序堆叠的照明光学设备、光学控制元件、光学元件20和输入设备40。
光学元件20由上述示范性实施例中的任一个光学元件构成，并且限制从光学控制元件出射的光(内部光)的方向的范围。照明光学设备包括如图17A中所示的光源21、反射片22、光导板23、漫射板24和棱镜片25a和25b，并且已经通过棱镜片25a和25b的光照射光学控制元件。光学控制元件与图20中所示的光学控制元件相同。
输入设备40是所谓的触摸板，并且包括在透明衬底41a上形成的透明电极42a和在透明衬底41b上形成的透明电极42b，这两个透明电极经由隔板43彼此面对。触摸板不局限于图23中所示的电阻膜类型，而可以是诸如电容耦合类型之类的现有类型。根据这种触摸板型输入设备40，基于压力或电流的局部变化来输入与显示面板上的位置有关的信息。
根据第三显示设备，因为光学元件20限制了其中从光学控制元件上出射的光的方向，可以限制可见的范围。因此，甚至当显示设备具有大尺寸屏幕时，可以防止其他人窥视所显示的信息。根据信息保护的观点，当将个人或身份信息输入到ATM终端或者通勤卡发行机器(computerpass issuing machine)时，这种显示设备尤其有效.
在图23中所示的结构中，可以经由透明粘附层将光学元件20附加到输入设备40的透明衬底41b上并且/或者可以将光学元件20经由透明粘附层附加到光学控制元件上。在这种结构中，可以减小由于光学元件20和透明衬底41b之间的界面处的表面反射导致的损耗并且/或者可以减小由于光学元件20和光学控制元件之间的界面处的表面反射导致的损耗，因此提供了具有更高亮度的照射光。
光学元件20可以设置在输入设备40上。在此情形下，光学元件20可以经由透明粘附层附加到输入设备40的透明衬底41a。在这种结构中，可以减小光学元件20和透明衬底41a之间的界面处的表面反射导致的损耗，从而提供了具有更高亮度的显示屏幕。
或者，光学元件20可以设置在光学控制元件和照明光学设备之间。在此情形下，光学元件20可以经由透明粘附层附加到棱镜片25a或光学控制元件。在这种结构中，可以减小光学元件20和棱镜片25a之间的界面处的表面反射导致的损耗或光学元件20和光学控制元件之间的界面处的表面反射导致的损耗，从而提供具有更高亮度的照明光。
[第四显示设备]
图24示出了其中安装了本发明的光学元件的第四显示设备的结构。第四显示设备包括按照顺序堆叠的照明光学设备、光学元件20、透射/散射切换元件26、光学控制元件和输入设备40。
光学元件20由上述示范性实施例中的任一个光学元件构成，并且限制从照明光学设备出射的光的方向的范围。照明光学设备包括如图17A中所示的光源21、反射片22、光导板23、漫射板24和棱镜片25a和25b，并且已经通过棱镜片25a和25b的光经由光学元件20和透射/散射切换元件26照射光学控制元件。透射/散射切换元件26与图19中所示的透射/散射切换元件26相同。光学控制元件与图20中所示的光学控制元件相同。输入设备40与图23中所示的输入设备相同。
在第四显示设备中，在透明模式中，光学元件20限制了显示面板中出射角度的范围。在这种情况下，因为在光学控制元件的显示屏幕中可见的范围减小，可以防止窥视。另一方面，在散射模式中，通过光学元件20限制的出射角度的范围增加。在这种情况下，因为可见范围增加，多个观看者可以同时观看显示屏幕。
图24中所示的结构可以包括：控制器，经由输入设备40接收输入以控制透射/散射切换元件26；以及存储设备，预先存储诸如广告之类的信息。在这种情况下，当没有经由输入设备40输入信息时，控制器将透射/散射切换元件26设定为散射模式，并且控制在光学控制元件中执行的调制以显示在存储设备中存储的信息，而当经由输入设备40输入信息时，控制器将透射/散射切换元件26设定为透明模式，并且控制在光学控制元件中执行的调制以显示已输入的信息。根据这种结构，例如在ATM终端中，在输入信息之前按照宽视场的显示模式将广告信息显示在屏幕上，并且在输入个人信息之后可以按照窄视场的显示模式显示已输入的信息(个人信息)。
可以经由透明粘附层将光学元件20附加到透射/散射切换元件26上，并且可以经由透明粘附层将透射/散射切换元件26粘附到光学控制元件上。在这种结构中，可以减小由于光学元件20和透射/散射切换元件26之间的界面处的表面反射导致的损耗和由于透射/散射切换元件26和光学控制元件之间的界面处的表面反射导致的损耗，因此提供了具有更高亮度的照射光。
本发明的光学元件可以易于应用于诸如ATM终端、移动电话、笔记本个人计算机和PDA之类的信息处理终端的显示设备。
本发明的光学元件所应用的ATM终端的显示设备示例可以是上述第三和第四显示设备。当将所述第三和第四显示设备应用于ATM终端的显示设备上时，可以防止窥视所显示的个人信息并且显示高质量的图像。在这种情况下，通过采用图16A至图16D中所示的任意结构(二维微窗结构)作为光学元件，沿上/下方向和左/右方向可见的范围降低，因此提供了其他人更难以窥视的屏幕。此外，在第四显示设备中，窄视场防止了当输入信息时的窥视，而在其他时间将显示模式切换到宽视场并且显示广告信息，从而允许使用ATM终端的有效广告。
可以应用本发明的光学元件的诸如移动电话、笔记本个人计算机和PDA之类的移动信息处理终端的示例可以是上述第一和第二显示设备。在信息处理终端中，控制器从诸如鼠标和键盘之类的输入设备接收输入以在显示设备上显示必要的信息。在这种情况下，还可以防止窥视所显示的信息并且显示高质量的图像。此外，信息处理终端可以配置有在前参考第三或第四显示设备描述的输入设备(触摸板)。
根据本发明的电子器械包括上述各种信息处理终端。
尽管已经使用特定的项目描述了本发明的示范性实施例，这种描述只是为了说明性的目的，并且应该理解的是在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下可以作出各种变化和修改。
本申请基于并且要求2006年10月23日递交的日本专利申请No.2006-287694的优先权，将其全部内容通过引用一并结合于此。

Claims (26)

1.一种光学元件包括：
微窗，包括交替地设置的透明层和光吸收层，光吸收层限制通过透明层出射的光的方向的范围；以及
设置在微窗上的漫射层，用于漫射来自微窗的光，以使得通过光学元件的光的视场角度按照这样的方式变化：使得视场角度在光学元件的外围区域中比在光学元件的中心区域中小。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中设置在相邻光吸收层之间的透明层的宽度在光学元件的外围区域中比在光学元件的中心区域中小。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中设置在相邻光吸收层之间的透明层的宽度在光学元件的表面上保持不变。
4.一种光学元件包括：
微窗，包括交替地设置的透明层和光吸收层，光吸收层限制通过透明层出射的光的方向的范围；以及
设置在微窗上的漫射层，
其中漫射层的厚度在微窗的所有区域上是恒定的；并且
其中所述漫射层的漫射能力在光学元件的外围区域中比在光学元件的中心区域中低。
5.根据权利要求4所述的光学元件，其中通过光学元件的光的视场角度沿光学元件上的一个方向变化。
6.根据权利要求4所述的光学元件，其中通过光学元件的光的视场角度至少沿光学元件上的两个交叉方向变化。
7.一种照明光学设备，包括：
根据权利要求1所述的光学元件；以及
设置在光学元件的背面一侧上的平面光源。
8.根据权利要求7所述的照明光学设备，还包括其上入射了来自光学元件的光的透射/散射切换元件，
其中，透射/散射切换元件可以在其中入射光原样出射的透明模式和其中对入射光进行散射并且所述入射光作为漫射光出射的散射模式之间切换。
9.一种照明光学设备，包括：
根据权利要求4所述的光学元件；以及
设置在光学元件的背面一侧上的平面光源。
10.根据权利要求9所述的照明光学设备，还包括其上入射了来自光学元件的光的透射/散射切换元件，
其中，透射/散射切换元件可以在其中入射光原样出射的透明模式和其中对入射光进行散射并且所述入射光作为漫射光出射的散射模式之间切换。
11.一种显示设备，包括：
根据权利要求1所述的光学元件；
其上设置了像素的显示面板；以及
用于照射显示面板的平面光源，
其中来自平面光源的光经由光学元件照射所述显示面板。
12.根据权利要求11所述的显示设备，还包括设置在显示面板的显示屏幕一侧上的输入设备，
其中输入设备基于压力或电流的局部变化来接收与显示面板上的位置有关的输入信息。
13.一种显示设备，包括：
根据权利要求4所述的光学元件；
其上设置了像素的显示面板；以及
用于照射显示面板的平面光源，
其中来自平面光源的光经由光学元件照射所述显示面板。
14.根据权利要求13所述的显示设备，还包括设置在显示面板的显示屏幕一侧上的输入设备，
其中输入设备基于压力或电流的局部变化来接收与显示面板上的位置有关的输入信息。
15.一种显示设备，包括：
根据权利要求1所述的光学元件；
其上设置了像素的显示面板，
其中来自显示设备的光经由光学元件出射。
16.根据权利要求15所述的显示设备，其中将光学元件可移动地设置在显示面板的显示屏幕上。
17.根据权利要求15所述的显示设备，还包括设置在光学元件上的输入设备，
其中输入设备基于压力或电流的局部变化来接收与显示面板上的位置有关的输入信息。
18.一种显示设备，包括：
根据权利要求4所述的光学元件；以及
其上设置了像素的显示面板，
其中来自显示设备的光经由光学元件出射。
19.根据权利要求18所述的显示设备，其中将光学元件可移动地设置在显示面板的显示屏幕上。
20.根据权利要求18所述的显示设备，还包括设置在光学元件上的输入设备，
其中输入设备基于压力或电流的局部变化来接收与显示面板上的位置有关的输入信息。
21.一种显示设备，包括：
根据权利要求1所述的光学元件；
其上设置了像素的显示面板；
用于照射显示面板的平面光源；以及
透射/散射切换元件，来自平面光源的光经由光学元件入射在所述透射/散射切换元件上，所述透射/散射切换元件能够在其中入射光原样出射的透明模式和其中入射光被散射并且作为漫射光出射的散射模式之间切换，
其从所述透射/散射切换元件出射的光照射显示面板。
22.根据权利要求21所述的显示设备，还包括设置在显示面板的显示屏幕一侧上的输入设备，
其中输入设备基于压力或电流的局部变化来接收与显示面板上的位置有关的输入信息。
23.一种显示设备，包括：
根据权利要求4所述的光学元件；
其上设置了像素的显示面板；
用于照射显示面板的平面光源；以及
透射/散射切换元件，来自平面光源的光经由光学元件入射在所述透射/散射切换元件上，所述透射/散射切换元件能够在其中入射光原样出射的透明模式和其中入射光被散射并且作为漫射光出射的散射模式之间切换，
其从所述透射/散射切换元件出射的光照射显示面板。
24.根据权利要求23所述的显示设备，还包括设置在显示面板的显示屏幕一侧上的输入设备，
其中输入设备基于压力或电流的局部变化来接收与显示面板上的位置有关的输入信息。
25.一种电子器械，包括根据权利要求21所述的显示设备，
其中所述透射/散射切换元件基于外部输入的信号在透明模式和散射模式之间切换。
26.一种电子器械，包括根据权利要求23所述的显示设备，
其中所述透射/散射切换元件基于外部输入的信号在透明模式和散射模式之间切换。
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